LifeSafetyStudyGuide

Рис. 5. Однофазное (однополюсное) прикосновение к токоведущим частям в системе IT

r1, r2, r3 – сопротивление изоляции проводов электросети; с1, с2, с3 – ёмкость проводов электросети

Сила тока (Ih, А), протекающего через человека, для этого случая определяется по формуле

Uф

Ih = Rh + Rn + Z 3 ,

где Rп – переходное сопротивление, Ом (сопротивление пола, на котором стоит человек и обуви); Z – сопротивление изоляции фазного провода относительно земли, Ом (активная и емкостная составляющие).

В наиболее неблагоприятной ситуации, когда человек имеет токопроводящую обувь и стоит на токопроводящем полу (Rп ~ 0), сила тока, протекающего через тело, определяется по формуле

если Uф = 220 В, Rh = 1 кОм, Z = 90 кОм,

то Ih = 220/(1000 + (90000 / 3)) = 0,007 А (7 мА).

Трёхфазная четырёхпроводная электрическая сеть переменного тока с заземлённойнной нейтралью (в системе TN).

Однофазное прикосновение к токоведущим частям.

110

Рис. 6. Однофазное (однополюсное) прикосновение к токоведущим частям в системе TN

R0 – сопротивление заземления нейтрали электросети

В четырёхпроводной электрической сети переменного тока с глухозаземлённой нейтралью (система TN) ток, проходящий через человека, возвращается к источнику (электросети) не через изоляцию проводов, как в предыдущем случае, а через сопротивление заземления нейтрали (R0) источника тока (рис. 6). Сила тока, проходящего через тело человека, определяется при этом по формуле

Uф

Ih = Rh + Rn + Ro ,

где R0 – сопротивление заземления нейтрали источника тока, Ом. Сопротивление заземляющего устройства, к которому присоединена

нейтраль источника тока, в любое время года должно быть не более 2, 4 и 8 Ом соответственно при линейных напряжениях 660, 380 и 220 В. Это сопротивление должно быть обеспечено с учётом использования естественных заземлителей, а также заземлителей повторных заземлений PENили PE-проводника воздушных линий электропередач (ВЛ) напряжением до 1 кВ. Сопротивление заземлителя, расположенного в непосредственной близости от нейтрали источника тока, должно быть не более 15, 30 и 60 Ом соответственно при тех же линейных напряжениях 660, 380 и 220 В.

Пример. В наиболее неблагоприятной ситуации, рассмотренной выше, при Uф = 220 В, Rh = 1000 Ом, Rп ~ 0 Ом R0 = 30 Ом сила тока, протекающего через тело человека, составит

Ih = 220/1000 + 30 = 0,214 А (214 мА),

что смертельно опасно для человека.

Если обувь не токопроводящая (например, резиновые галоши с сопротивлением 45 кОм) и человек стоит на не токопроводящем полу (на-

111

пример, деревянный пол с сопротивлением 100 кОм), т.е. Rп = 145 кОм, то сила тока, протекающего через тело человека, составит:

Ih = 220/1000 + 60 + 145000 = 0,0015 А (1,5 мА), что опасности для человека не представляет.

Таким образом, при прочих равных условиях прикосновение человека к одному фазному проводу электросети сети с изолированной нейтралью менее опасно, чем в электросети с заземлённой нейтралью.

Рассмотренные выше схемы включения человека в электрическую цепь трёхфазного переменного тока справедливы для нормальных (безаварийных) условий работы электрических сетей.

В аварийном режиме работы трёхфазной электрической сети переменного тока один из фазных проводов, например, электросети с заземлённой нейтралью (в системе TN) может быть замкнут на землю (при срабатывании системы защитного заземления, падении фазного провода на землю и т.п.) через сопротивление Rзм (рис. 7).

Рис. 7. Однофазное (однополюсное) прикосновение к токоведущим частям в аварийном режиме работы электросети. Rзм – сопротивление замыкания фазного провода (L2) на землю

Сила тока, проходящего через тело человека, касающегося в этой ситуации одного из исправных фазных проводов (L1, L3), определяется из уравнения

где Rзм – сопротивление замыкания фазного провода на землю, Ом.

Если при этом Rзм ~ 0 или намного меньше и R0, и Rh, то им можно пренебречь, тогда сила тока, проходящего через тело человека, будет определяться по формуле

112

3Uф

Ih = Rh ,

т. е. человек будет включаться в электрическую цепь двухфазно, причём вторая фаза подключается к нему через ноги и на величину Ih будет оказывать существенное влияние переходное сопротивление Rп.

При напряжениях до 1000 В в производственных условиях широкое распространение получили обе рассмотренные выше схемы трехфазных электрических сетей переменного тока: трёхпроводная с изолированной нейтралью (система IT) и четырёхпроводная с заземлённой нейтралью (система TN).

Электрическую сеть с изолированной нейтралью целесообразно применять в тех случаях, когда имеется возможность поддерживать высокий уровень сопротивления изоляции фазных проводов и незначительную ёмкость последних относительно земли. Такими являются электрические сети малоразветвлённые, не подверженные воздействию агрессивной среды и находящиеся под постоянным надзором квалифицированного персонала. Так, например, в угольных шахтах используются только электросети с изолированной нейтралью.

Электрическую сеть с заземлённой нейтралью следует применять там, где невозможно обеспечить хорошую изоляцию проводов (например, из-за высокой влажности или агрессивной среды), когда нельзя быстро отыскать или устранить повреждение изоляции, либо когда ёмкостные токи электросети вследствие значительной её разветвлённости достигают больших значений, опасных для человека.

При напряжении выше 1000 В по технологическим причинам электрические сети напряжением до 35 кВ включительно имеют изолированную нейтраль, свыше 35 кВ – заземлённую. Поскольку такие электросети имеют большую ёмкость проводов относительно земли, для человека одинаково опасным является прикосновение к их фазным проводам независимо от режима работы нейтрали энергоисточника. Поэтому режим работы нейтрали электросети напряжением выше 1000 В по условиям безопасности не выбирается.

Явления при стекании электрического тока в землю. Напряже-

ние шага. Стекание электрического тока в землю происходит только через проводник, находящийся в непосредственном контакте с землёй. Такой контакт может быть случайным или преднамеренным. В последнем случае проводник, находящийся в контакте с землей, называется заземлителем или электродом.

Для упрощения дальнейших рассуждений считаем, что земля во всём своём объёме однородна, т.е. в любой точке обладает одинаковым удель-

113

ным электрическим сопротивлением (ρ, Ом · м). В этом случае ток будет растекаться во все стороны одинаково по радиусам полушария (рис. 8).

Рис. 8. Схема образования напряжения шага а) – общая схема; б) – растекание тока с опорной поверхности ног человека. А, Б – опорные точки ног человека; З – точка замыкания на землю; Uз – напряжение замыкания; Uш

– напряжение шага; а – ширина шага; φ – электрический потенциал; x – радиальное расстояние от точки замыкания на землю

В объёме земли, где проходит ток, возникает так называемое «поле растекания тока», имеющее полусферическую конфигурацию. Теоретически оно простирается до бесконечности. Однако в реальных условиях уже на расстоянии 20-ти м от точки замыкания сечение слоя земли, по которому проходит ток, оказывается настолько большим, что плотность тока здесь практически равна нулю. На поверхности земли при этом возникает неравномерное электрическое (для постоянного тока) или электромагнитное (для переменного тока) круговое поле с максимумом потенциала (φ, В) в точке замыкания на землю.

Если в этой ситуации человек будет радиально шагать к точке замыкания на землю по её поверхности, то его ноги при каждом шаге будут оказываться под всё бóльшей разностью потенциалов (см. рис. 8а).

Напряжением шага называется напряжение между двумя точками на поверхности земли, расположенными на расстоянии 1 м одна от другой (принимается равным длине шага человека), обусловленное растеканием тока замыкания на землю.

Основной путь тока при этом пролегает через ноги и тазобедренную часть тела, где расположены гонады – одна из важнейших составляющих половой системы человека. Указанное обстоятельство, кроме рассмотренных выше негативных факторов воздействия на человека электрического

114

тока, нарушает нормальное состояние репродуктивной функции организма. Действие электрического тока в этой ситуации может усугубиться тем, что из-за судорожных сокращений мышц ног, возможно падение человека, после чего цепь тока замыкается на его теле через другие жизненно важные органы (мозг, сердце, лёгкие и др.). Кроме того, рост человека, который больше ширины шага, обусловливает бóльшую разность потенциалов (напряжение, приложенное к телу).

Основные меры защиты от поражения человека электрическим током. Поражение производственного персонала электрическим током возможно как при прямом прикосновении – электрический контакт людей с токоведущими частями электрооборудования, находящимися под напряжением, так и при косвенном прикосновении – электрический контакт людей с открытыми проводящими частями электрооборудования, оказавшимися под напряжением при повреждении изоляции.

Для предупреждения поражения электрическим током в нормальном режиме работы Электросети должны быть применяются по отдельности или в сочетании следующие меры защиты от прямого прикосновения:

основная изоляция токоведущих частей; ограждения и оболочки; установка барьеров;

размещение токоведущих частей вне зоны досягаемости; применение сверхнизкого (малого) напряжения (СНН).

Для дополнительной защиты от прямого прикосновения в электроустановках напряжением до 1 кВ применяются также устройства защитного отключения (УЗО).

Защита от прямого прикосновения не требуется, если электрооборудование находится в зоне системы уравнивания потенциалов (см. ниже), а наибольшее рабочее напряжение не превышает 25 В переменного или 60 В постоянного тока в помещениях без повышенной опасности и 6 В переменного или 15 В постоянного тока – во всех случаях.

Для защиты от поражения электрическим током в случае повреждения изоляции применяются по отдельности или в сочетании следующие меры защиты при косвенном прикосновении:

защитное заземление; автоматическое отключение питания; уравнивание потенциалов; выравнивание потенциалов; двойная или усиленная изоляция; сверхнизкое (малое) напряжение;

защитное электрическое разделение цепей; изолирующие (непроводящие) помещения, зоны, площадки.

115

Защиту при косвенном прикосновении следует выполнять во всех случаях, если напряжение в электроустановке превышает 50 В переменного и 120 В постоянного тока.

В помещениях с повышенной опасностью, особо опасных и в наружных электроустановках защита при косвенном прикосновении производится при более низких напряжениях: 25 В переменного и 60 В постоянного тока – в помещениях с повышенной опасностью; 12 В переменного и 30 В постоянного тока – в особо опасных помещениях и в наружных электроустановках.

Далее рассмотрим принципы указанных способов защиты.

Защита от прямого прикосновения. Основная изоляция токоведу-

щих частей: Основная изоляция токоведущих частей должна иметь сопротивление, обеспечивающее утечки тока через неё, не превышающие безопасных величин (1 мА для переменного тока промышленной частоты). Для изоляции используются материалы, обладающие также механической прочностью, устойчивостью к воздействию агрессивных сред, повышенных температур и др. производственных факторов. Широкое распространение на практике получили изоляционные материалы на основе каучука, пластических масс, керамики, стекловолокна и др. Лакокрасочные покрытия не являются изоляцией, защищающей от поражения электрическим током. Изоляция электроустановок перед вводом их в эксплуатацию подвергается испытанию в соответствии с требованиями ПУЭ. Например, для электроустановок напряжением до 1 кВ сопротивление изоляции должно быть не < 0,5 МОм при испытании напряжением 1 кВ.

Ограждения и оболочки: Ограждения и оболочки в электроустановках напряжением до 1 кВ представляют собой сплошные или сетчатые устройства, предотвращающие несанкционированный доступ к открытым токоведущим частям электроустановок. Вход за ограждение или вскрытие оболочки должны быть возможны только при помощи специального ключа или инструмента либо после снятия напряжения с токоведущих частей.

Установка барьеров: Барьеры предназначены для защиты от случайного прикосновения к токоведущим частям в электроустановках напряжением до 1 кВ или приближения к ним на опасное расстояние в электроустановках напряжением выше 1 кВ, но не исключают преднамеренного прикосновения и приближения к токоведущим частям при обходе барьера. Для удаления барьеров не требуется применения ключа или инструмента, однако они должны быть закреплены так, чтобы их нельзя было снять непреднамеренно. Барьеры должны быть изготовлены из изолирующего материала.

Размещение токоведущих частей вне зоны досягаемости: Эта мера применяется для защиты от прямого прикосновения к токоведущим частям в электроустановках напряжением до 1 кВ или приближения к ним на опасное расстояние в электроустановках напряжением выше 1 кВ при не-

116

возможности сооружения ограждений, оболочек и барьеров. При этом расстояние между доступными одновременному прикосновению проводящими частями в электроустановках напряжением до 1 кВ должно быть не менее 2,5 м. Внутри зоны досягаемости не должно быть частей, имеющих разные потенциалы и доступных одновременному прикосновению.

Установка барьеров и размещение токоведущих частей вне зоны досягаемости допускаются только в помещениях, доступных квалифицированному персоналу.

Сверхнизкое (малое) напряжение (СНН): СНН применяется для за-

щиты от поражения электрическим током при прямом и/или косвенном прикосновениях в электроустановках напряжением до 1 кВ в сочетании с защитным электрическим разделением цепей или в сочетании с автоматическим отключением питания (см. ниже). Суть этой меры защиты заключается в обеспечении наименьшей вероятности поражения человека электрическим током за счёт применения малой величины напряжения питания электроустановок.

При этом величина такого напряжения составляет: не более 25 В переменного и не более 60 В постоянного тока – в помещениях с повышенной опасностью; не более 12В переменного и не более 30 В постоянного тока – в особо опасных помещениях и в наружных электроустановках.

Защита от косвенного прикосновения. Защитное заземление: За-

щитное заземление представляет собой преднамеренное электрическое соединение с землёй нетоковедущих проводящих (электропроводных) частей электрооборудования, которые в результате нарушения изоляции могут оказаться под напряжением. Такой частью электрооборудования, как правило, является его металлический корпус.

Принцип защитного действия защитного заземления можно объяснить следующим образом: при параллельном включении в электрическую цепь «аварийный корпус – заземление» сопротивлений заземляющего устройства и человека ток по ним по закону Кирхгоффа для разветвлённых электрических цепей распределяется обратно пропорционально величинам сопротивлений, оставаясь практически неизменным в сумме.

Подбор величины сопротивления заземляющего устройства, при которой сила тока, протекающего через человека, будет равна или меньше безопасных значений обеспечит его защиту от поражения. Наибольшая величина сопротивления заземляющего устройства, при которой обеспечивается указанное выше условие, называется допустимым сопротивлением защитного заземления.

Защитное заземление эффективно только в том случае, когда ток замыкания на землю не увеличивается с уменьшением сопротивления заземляющего устройства. Поэтому защитное заземление применяется в качестве основной меры защиты в электросетях с изолированной нейтралью, т.к.

117

только в них при глухом замыкании на землю любого из фазных проводов ток замыкания не зависит от сопротивления заземления.

Конструктивно заземляющее устройство состоит из заземлителей, размещённых в грунте (земле), заземляющего проводника и заземляющей шины (последние расположены вне грунта и служат для подключения заземлителей к электрооборудованию).

Варианты конструкций, схемы размещения в грунте, материалы для изготовления конструктивных элементов, способы расчёта и др. сведения о заземляющих устройствах рассматриваются на лабораторных и практических занятиях.

Согласно требованиям ПУЭ сопротивление заземляющего устройства, используемого для защитного заземления открытых проводящих частей в системе IT напряжением до 1 кВ, должно соответствовать условию:

Rзу ≤ Uпр /Iзм,

где Rзу – сопротивление заземляющего устройства, Ом;

Uпр – напряжение прикосновения, значение которого принимается равным 50 В;

Iзм – полный ток замыкания на землю, А.

Как правило, не требуется принимать значение сопротивления заземляющего устройства менее 4 Ом. Допускается принимать сопротивление заземляющего устройства до 10 Ом, если соблюдено приведенное выше условие, а мощность источника тока не превышает 100 кВ А.

Защитному заземлению подлежат металлические нетоковедущие части оборудования, которые из-за неисправности изоляции могут оказаться под напряжением и к которым возможно прикосновение людей.

Автоматическое отключение питания: Автоматическое отключение питания применяется для быстрого отключения энергоисточника от аварийного электрооборудования. При этом время отключения не должно превышать нормированные значения (табл. 1, 2), т.к. в противном случае человек, касающийся в этот момент электроустановки, получит опасную дозу электрической энергии. При выполнении автоматического отключения питания в электроустановках напряжением до 1 кВ открытые проводящие части присоединяются к глухозаземлённой нейтрали источника питания, если применена система TN, и заземлены, если применены системы IT или ТТ.

В электроустановках, в которых в качестве защитной меры применено автоматическое отключение питания, должно быть выполнено уравнивание потенциалов (см. ниже).

Для автоматического отключения питания могут быть применены защитно-коммутационные аппараты и устройства защитного отключения

(УЗО).

Таблица 1

118

Наибольшее допустимое время защитного автоматического отключения для системы TN

Таблица 2 Наибольшее допустимое время защитного автоматического отклю-

чения для системы IT

Уравнивание потенциалов: Система уравнивания потенциалов предназначена для ликвидации разности потенциалов между любыми точками открытых проводящих частей электроустановок, здания, инженерных коммуникаций и т.п.

Основная система уравнивания потенциалов в электроустановках до 1 кВ должна соединять между собой следующие проводящие части:

нулевой защитный РЕили РЕN-проводник питающей линии в системе TN;

заземляющий проводник, присоединённый к заземляющему устройству электроустановки, в системах IT и ТТ;

заземляющий проводник, присоединенный к заземлителю повторного заземления на вводе в здание (если есть заземлитель);

металлические трубы коммуникаций, входящих в здание (горячего и холодного водоснабжения, канализации, отопления, газоснабжения и т.п.);

металлические части каркаса здания; металлические части централизованных систем вентиляции и конди-

ционирования; заземляющее устройство системы молниезащиты;

заземляющий проводник функционального (рабочего) заземления, если такое имеется и отсутствуют ограничения на присоединение сети рабочего заземления к заземляющему устройству защитного заземления;

металлические оболочки телекоммуникационных кабелей. Проводящие части, входящие в здание извне, должны быть соедине-

ны как можно ближе к точке их ввода в здание.

119